新規熱輸送デバイスの創出に繋がるグラフェン液体セルを用いたナノスケール相変化実験

使用石墨烯液体电池进行纳米级相变实验，从而创建新的热传输装置

• 批准号: 22KJ2400
• 负责人: 廣川 颯汰
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2400/
• 关键词: グラフェン液体セル; 圧力; 三次元形状; ピニング; 固気液三相界線; ナノフルイディクス

ナノスケールの流路を持つ相変化伝熱デバイスの実現のためには，体積力が支配するバルクの流れとは異なり表面力が支配する微小流体の特異性を理解することが不可欠である．当研究では2枚のグラフェン間に微量の純水を封入した「グラフェン液体セル」を透過型電子顕微鏡（TEM）で直接観察することで，微小流体の物理を明らかにしてきた。令和4年度は，グラフェン液体セルの三次元形状と内部圧力を原子間力顕微鏡を用いて調査した。三次元形状の測定ではグラフェン液体セルの厚みとTEM観察で可視化される投影面の面積の関係を調べた。液体セルが他の液体セルと接続している場合は厚みと面積が比例して大きくなるものの，独立して存在する液体セルにはこのような相関が認められなかった。更に内部圧力も液体セルの三次元形状によらずランダムな値を取ることが明らかになった。これは，グラフェン液体セルの圧力はその形状によって一意に定まる，という先行研究が理論的に示した結果を否定するものである。機械的にグラフェン液体セルの形状と圧力を測定し，まとまった数の測定結果を示した研究は本研究が初めてであり，今後のグラフェン液体セルを用いた研究に有益な情報を提供できたと言えるだろう。更に，本圧力計測のために新たに考案したグラフェン液体セルを固体基板上に作成する方法をMEMSチップ上への作成へと応用することで，電圧の印加や加熱などの刺激を微小液体に加えながらTEM観察することが可能になることを確認した。

为了实现具有纳米级通道的相变传热装置，有必要了解微流体的特性，微流体由表面力主导，这与由体力主导的整体流不同。在这项研究中，我们通过使用透射电子显微镜（TEM）直接观察“石墨烯液体电池”，其中少量纯水被密封在两片石墨烯之间，阐明了微流体的物理原理。 2020财年，我们使用原子力显微镜研究了石墨烯液体电池的三维形状和内部压力。为了测量三维形状，我们研究了石墨烯液体单元的厚度与通过 TEM 观察可视化的投影表面面积之间的关系。当一个液体单元与另一个液体单元连接时，厚度和面积成比例增加，但对于独立存在的液体单元则没有观察到这种相关性。此外，已经清楚的是，无论液体单元的三维形状如何，内部压力都取随机值。这与先前研究的理论结果相矛盾，即石墨烯液体电池中的压力由其形状唯一决定。这是首次对石墨烯液体电池的形状和压力进行机械测量并展示大量测量结果，可以说这项研究为未来使用石墨烯液体电池的研究提供了有用的信息。此外，通过将在用于压力测量的固体基板上创建石墨烯液体单元的新设计方法应用于MEMS芯片上的创建，我们证实可以对微观液体施加电压施加和加热等刺激。可以进行 TEM 观察

项目成果

In-situ observation of nanoscale bubble behavior induced by damage of graphene liquid cells

石墨烯液体细胞损伤引起的纳米级气泡行为的原位观察

• 发表时间: 2021
• 作者: Sota Hirokawa; Hideaki Teshima; Pablo Solis;ez; Hiroki Ago; Yoko Tomo; Qin;Koji Takahashi
• 通讯作者: Koji Takahashi

ナノスケールでの固気液三相界線ピニングに関する実験的研究

纳米尺度固-气-液三相边界钉扎实验研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 廣川颯汰;Pablo Solis;ez;吾郷弘樹;手嶋秀彰;李秦宜;生田竜也;高橋厚史
• 通讯作者: 高橋厚史

Gold Nanocrystal Etching as a Means of Probing the Dynamic Chemical Environment in Graphene Liquid Cell Electron Microscopy.

金纳米晶体蚀刻作为探测石墨烯液体电池电子显微镜中动态化学环境的一种手段。

• DOI: 10.1021/jacs.9b00082
• 发表时间: 2019-02-19
• 期刊: Journal of the American Chemical Society
• 影响因子: 15
• 作者: Matthew R. Hauwiller;Justin C. Ondry;Cindy M. Chan;P. Kh;ekar;ekar;Jessica Yu;A. P. Alivisatos
• 通讯作者: A. P. Alivisatos

Pinning in a Contact and Noncontact Manner: Direct Observation of a Three-Phase Contact Line Using Graphene Liquid Cells

以接触和非接触方式钉扎：使用石墨烯液体电池直接观察三相接触线

• DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01589
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.9
• 作者: Hirokawa Sota;Teshima Hideaki;Solis;ez Pablo;Ago Hiroki;Li Qin;Takahashi Koji
• 通讯作者: Takahashi Koji

透過型電子顕微鏡を用いたナノスケール空間内の気泡の研究

使用透射电子显微镜研究纳米级空间中的气泡

• 发表时间: 2022
• 作者: 廣川颯汰;手嶋秀彰;Pablo Solis;ez;吾郷弘樹;李秦宜;高橋厚史
• 通讯作者: 高橋厚史